최근 White OLED(WOLED)를 이용한 AMOLED TV 및 조명 제품이 빠른 속도로 증가하고 있어 기술적으로도 큰 관심을 받고 있다. White OLED는 고효율, 친환경, 디자인 유연성 등 다른 조명에 비해 차별화된 장점을 갖고 있지만, 가격대가 높아 이제 시장에 진입하는 단계이다. 여기서는 디스플레이와 조명 관점에서 WOLED 기술에 대한 최신 동향을 상세히 소개한다.

White OLED 디스플레이 기술 동향

그림 1. RGB 독립 구동 방식 OLED와 White OLED＋C/F 방식의 디스플레이 비교

가장 유력한 차세대 디스플레이인 OLED TV는 색 재현 범위가 NTSC(National Television System Committee) 기준 100% 이상이며, 넓은 시야각과 빠른 응답속도를 가지고 있다.

현재 대부분의 중소형 AMOLED 디스플레이는 상향식 진공 열 증착장비를 이용하여 제작되고 RGB 화소 형성은 FMM(Fine Metal Mask)을 이용한다. 그러나 FMM 기술은 대면적이 될수록 중력에 의해 기판과 마스크가 처지는 현상이 일어나 화소 형성의 정밀도가 현저히 떨어지므로 고해상도 디스플레이 제작에 어려움이 따른다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 오픈 마스크를 이용하는 WOLED(White OLED) 소자 기술에 RGB 컬러 필터를 접목한 형태의 기술이 고해상도 OLED TV에 적합한 기술로 평가 받고 있다.

중소형 모바일용 OLED 디스플레이의 경우 삼성디스플레이가 FMM 기술로 시장을 거의 독점하고 있는 반면, LG디스플레이는 WOLED＋C/F(컬러 필터) 방식을 적용하여 발전시킨 WRGB 방식으로 대형 OLED TV 분야를 선도하고 있다(그림 1 참조).

시장조사업체인 유비산업리서치에 따르면, LG Display의 55인치 Full HD OLED 패널 가격은 900달러 정도이며, LCD 패널 수준인 90% 이상의 수율을 달성할 경우 500달러 정도로 공급이 가능할 것으로 예상했다.

2013년 초, 삼성을 포함한 일본, 중국의 많은 기업들이 여러 전시회에서 OLED TV를 선보였지만 현재 OLED TV를 의욕적으로 출시하고 있는 기업은 LG전자밖에 없다. LG전자는 올해 55인치 커브드(Curved) UHD OLED TV를 출시했고 이를 시작으로 65인치, 77인치 제품도 연달아 출시할 계획이다.

그림 2. LG전자의 55인치 커브드 UHD OLED TV 및 77인치 커브드 OLED UHD TV

그림 2는 올해 LG에서 출시한 55인치 OLED TV와 2014년 CES에서 선보인 77인치 OLED TV다. 현재 이 제품은 높은 해상도와 명암비, 넓은 시야각, 얇은 두께와 인체공학적인 곡면 디자인으로 시장에서 큰 호응을 얻고 있다. 반면, 경쟁사인 삼성디스플레이는 FMM 기술을 개선한 SMS(Small Mask Scanning) 기술로 55인치 제품을 시생산했지만 기술적으로 문제가 있어 아직 시장에 완제품을 내놓지 못하고 있으며, WOLED 기술을 적용한 대형 OLED TV 양산을 고려하고 있는 것으로 알려져 있다.

WOLED 조명 제품 기술 동향

그림 3. 다양한 크기의 LG화학 100lm/W OLED 조명 패널 및 이를 적용한 스탠드 제품

OLED 조명은 기존 조명과 비교했을 때, 가장 자연광에 가까운 스펙트럼을 구현할 수 있는 면광원 형태의 조명이다. 점광원 형태인 LED와 달리 눈부심과 발열이 적다. 또한 얇고 가벼워 디자인 혁신이 용이하다는 점에서 미래 조명시장을 선도할 광원으로 각광받고 있다.

또한 LED 조명의 효율과 같거나 그 이상의 효율을 구현함으로써 에너지 절감, 친환경이라는 특성으로 시장을 확대해 갈 것으로 예상되고 있다. 현재 LED 조명은 시장 규모가 확대되고 있지만 과도한 가격 경쟁과 중국산 LED 조명 유입으로 국내 시장을 잃을 가능성이 커지고 있다. 반면에 OLED 조명은 새로운 독자적인 시장을 개척하는 것이 가능할 것으로 전망되고 있다.

LG화학은 2008년 OLED 조명 사업에 뛰어든 이후, 꾸준히 로드맵을 발표 및 달성하며 시장을 주도하고 있다. 현재 양산 중인 패널 라인업에 개발 완료된 100lm/W 효율의 패널(그림 3)을 추가하여 양산할 계획이며, 3000cd/m2 기준으로 수명(L70) 4만 시간 이상을 달성하여 형광등 이상의 수명도 확보했다. 2017년까지 140lm/W, 6만 시간 이상의 수명(L70, 3000cd/m2 기준)이라는 목표를 설정하여 지속적으로 OLED 조명 시장을 주도할 계획이다. 60lm/W, 색 온도 3,000K, CRI 85 이상의 플렉서블 OLED 조명도 양산화 준비를 마쳤으며, 오는 7월부터 양산에 들어갈 예정이다.

코니카미놀타(Konica Minolta)는 2011년 초, 필립스를 통해 45lm/W의 OLED 조명 패널을 생산했고, 같은 해 11월 심포스(Symfos)라는 새로운 브랜드로 OLED 조명 사업을 시작했다. 현재 139lm/W(1000cd/m2 기준) 효율의 OLED 조명 패널을 개발 완료했으며 5만5,000시간(L50, 1000cd/m2  기준) 이상의 수명도 확보했다.

코니카미놀타는 플렉서블 OLED 조명에 가장 공격적으로 투자하는 기업답게 1000억원을 투자하여 롤투롤(roll-to-roll) 방식의 공장을 건립, 매달 100만 장 이상의 WOLED, 컬러 튜너블(Color Tunable) 플렉서블 패널을 생산할 계획이다.

루미오텍(Lumiotec)은 미쓰비시(Mitsubishi), 로옴 세미컨덕터(ROHM), 돗판(Toppan), 미쓰이(Mitsui), 야마가타(Yamagata) 대학의 키도 준지(Kido Junji) 교수에 의해 설립됐으며, OLED 조명 패널과 조명기구를 생산하고 있다. 기존의 P05∼08 시리즈에 이어 작년에는 145×145mm 크기의 45lm/W(3000cd/m2 기준) 효율과 4만 시간 이상의 수명(L70, 3000cd/m2 기준), 4000K의 색 온도, CRI 90의 P09 OLED 패널을 양산하기 시작했다. 미쓰비시, 오카무라(Okamura), 다이세이(Taisei)와 손잡고 요코하마에 건설 중인 ‘Net-Zero Energy Building’에 조명용 OLED 패널을 공급할 예정이며, 천장용 조명뿐만 아니라 책상용 조명도 공급할 계획이다.

또한 오스람(Osram)은 2008년 최초로 OLED 조명기구를 출시한 이후 꾸준한 투자를 이어오고 있으며, 오르비오스(Orbeos)라는 브랜드를 출시하여 현재 70lm/W(3000cd/m2 기준) 효율까지 개발, 양산을 준비하고 있다. 오스람은 OLED 조명 단독으로 사용하는 것보다 하이브리드 조명(LED와 OLED 조합)이 더 효율적이라는 점을 밝히고 LED, OLED 조명 모두 기술 개발에 힘쓰고 있다. 또한 오스람은 차량용 램프에도 하이브리드 조명을 적용시켜 개발하고 있으며 OLED 램프 부분은 플렉서블을 적용시키기 위해 증착공정뿐만 아니라 용액공정 기술도 개발하고 있다.

그리고 필립스는 루미블레이드(Lumiblade)라는 이름으로 다양한 형태의 OLED 조명기구를 판매하고 있으며, 필립스도 오스람과 마찬가지로 LED와 OLED를 동시에 조명에 적용시키는 것을 선호하고 있다. 최근에는 Living Shapes Interactive Wall, Living Sculpture 3D Module System 등과 같이 IT 기술과 접목된 OLED 조명들을 출시해 주목 받고 있다.

WOLED 조명은 고효율, 친환경, 디자인 유연성, 눈에 편안한 조명 등으로 다른 조명과 차별화된 특징을 갖고 있다. 그러나 OLED 조명은 현재 시장 진입 단계에 있으며 다른 조명에 비해 가격이 비싸다. 

앞으로는 플렉서블이 가능하다는 점을 이용해 다양하게 디자인할 수 있다는 가장 차별화된 특징으로 시장을 공략할 필요가 있다. 그리고 가격경쟁을 위해 공정을 개발하고 수명 및 효율을 개선하며, 실외나 극한의 환경 등 범용성을 확보하기 위한 패널 업체의 추가적인 투자도 요구된다.

WOLED 소자 제작 방법

WOLED는 다양한 파장의 발광물질을 혼합하여 OLED 소자에서 백색광을 구현하는 기술이다. 발광층 구조에 따라 단일 발광층(Single-EML), 다중 발광층(Multiple-EML), 탠덤(Tandem)의 세 가지 구조로 구분할 수 있으며 서로 장단점을 갖고 있다(그림 4).

그림 4. White OLED 소자의 구조별 장단점

단일 발광층 구조는 하나의 호스트 물질에 적색, 녹색, 청색의 도펀트(Dopant) 물질을 도핑하여 백색을 구현하는 방식으로 가장 단순한 방법이다. 하지만 이 경우 에너지가 가장 낮은 적색 도펀트로 엑시톤(Exciton)이 쏠리는 현상이 발생하기 때문에 효율과 색을 제어하기 어렵다. 백색을 구현하려면 적색 도펀트의 농도를 최소로 사용해야 하며 미세한 도펀트의 비율에 따라 색 특성이 크게 좌우된다.

낮은 전류에서는, 생성되는 엑시톤 대분분이 적색 도펀트로 전달되므로 적색의 발광 비율이 높지만 적색 도펀트에 생성될 수 있는 엑시톤이 포화되는 높은 전류 구간부터는 녹색 및 청색 엑시톤의 발광 비율이 증가하여 구동전압이 증가하므로 스펙트럼의 변화가 발생한다. 

이러한 구동전압에 따른 색 변화 특성은 계조를 통해 이미지를 구현하는 디스플레이에 적용할 경우 큰 문제가 될 수 있다. 또한 효율적인 에너지 전달이 이루어지지 않을 경우, 광효율 손실도 크다.

다중발광층 구조는 각각 다른 색을 방출하는 발광층을 여러 층으로 쌓는 구조이다. 단일 발광층 구조에 비해 효율 및 색 제어가 용이하지만 발광층이 인접해 있을 경우 계면을 통해 에너지 전달 현상이 일어날 수 있으므로 이에 따른 문제점은 여전하다. 

에너지 전달 현상을 방지 하기 위해 발광층 사이에 버퍼층을 끼워 넣는 방법을 사용하기도 한다. 하지만 각 유기물이 갖는 전압에 따른 이동도 특성이 다르므로, 전압에 따라 전자와 정공이 재결합하는 구간이 달라지고 이에 따라 역시 색 변동 현상이 발생한다.

탠덤 소자 구조는 두 개 이상의 독립된 OLED 소자를 직렬로 연결한 구조이다. 개별 OLED 소자를 잇는 접합 부분으로 전하생성층(CGL, Charge Generation Layer)을 사용한다. 이는 일반적으로 금속이 도핑된 전자수송층과 LUMO 에너지 준위가 6.0 eV 이하로 매우 낮은 물질의 접합 구조로 구성되며, 탠덤 소자의 전반적인 특성에 큰 영향을 준다. 전하생성층은 임계점 이상의 전압이 인가되어야 작동한다.

탠덤 구조를 디스플레이에 적용할 경우, TFT의 Off-state에 해당하는 블랙 레벨 영역에서 작동하지 않기 때문에 명암비가 우수하다는 특성을 갖고 있다. 탠덤 구조는 적색, 녹색, 청색 등의 단위 OLED 소자를 개별적으로 최적화할 수 있어 효율 및 색 제어가 용이하다.

직렬 연결된 개별 OLED 소자는 동일한 전류량으로 구동되며 동일한 전류에서의 밝기와 전류 효율은 연결된 OLED 소자 수만큼 배로 증가한다. 같은 밝기를 기준으로 단위 OLED 소자보다 낮은 전류에서 구동할 수 있으므로 소자 수명 특성을 크게 향상시킬 수 있다.

그러나 탠덤 구조는 유기층의 수가 많아 공정시간이 길고 소자 구조 설계가 복잡하다. 구동전압에 따른 색 변동은 적지만 두꺼운 소자 구조에서 기인한 시야각에 따른 색 변동은 큰 편이므로 이를 제어하는 기술이 중요하다. 탠덤 구조는 우수한 소자 수명 특성 덕분에, 현재 OLED TV와 조명을 양산하는 기술로 주로 사용되고 있다.

조명용 WOLED 소자 기술

WOLED가 현재 조명시장에서 경쟁력을 가지려면 3,000nit 밝기 기준 전력 효율 100lm/W 이상, 소자 수명(LT70) 3만 시간 이상의 특성이 필요하다. 밝기, 효율, 수명과 같은 기본 요구조건 외에 조명용으로 고려해야 할 필수조건으로는 색 좌표, 연색 지수(Color Rendering Index), 상관 색 온도 (Correlated Color Temperature), 시야각에 따른 색 변동, 소자 수명에 따른 색 변동 등이 있다.

에너지 절약 제품 사용을 장려하는 미국 정부의 에너지국 프로그램인 에너지 스타(Energy Star®) 기준에 따르면, 색 좌표와 상관 색 온도는 8개의 Tolerance Quadrangle 중 하나의 범위에 값이 포함돼야 하고, 연색 지수는 75 이상, 시야각에 따른 색 변동은 CIE 1976 (u′, v′) 색 좌표계 기준 0.004 이하, 수명에 따른 색 변동은 CIE 1976 색 좌표계 기준으로 0.007 이하여야 한다.

연색 지수는 조명 광원의 특성이 태양 광원과 비슷한 정도를 표시하는 기준이며 최대값은 100이다. 색 온도는 흑체복사를 통해 방출되는 빛의 색을 절대온도 단위로 표현한 것으로, 색 온도가 높을수록 청색을, 낮은수록 붉은색을 띤다. 일반적인 조명 소자의 경우 연색 지수 90 이상, 색 온도 3000K 이하의 붉은 계열 백색광원이 선호되며 이러한 특성을 구현하기 위한 소자기술 연구가 활발히 진행되고 있다.

초기 조명용 WOLED 소자 구조는 주로 보색 관계인 청색과 적녹색을 포함한 황색, 두 가지 OLED 소자를 연결한 2층 탠덤 구조를 사용했다. 형광 청색과 인광 적녹색 재료가 사용되며 두 가지 형태의 발광 재료를 사용하므로 하이브리드 탠덤 구조라고 부른다.

일반적인 인광 재료의 양자 효율이 형광 재료에 비해 4배 높지만 인광 청색 소재의 경우 소자 수명이 나쁘기 때문에 양산 제품에 활용할 수 없다. 따라서 청색 소자의 경우 수명 특성이 확보된 형광 재료를 사용한다. 높은 연색 지수의 백색을 구현하려면 RGB 삼파장으로 하는 것이 일반적이다.

그림 5. 백색 탠덤 OLED 소자 구조의 개념

효율적인 백색 탠덤 소자(그림 5)를 만드는 데 있어서 가장 중요한 것은 양극과 음극 사이의 발광층을 각 파장에 따른 최적의 위치에 놓는 것이다. 파브리-페로(Fabry-Perot) 간섭 현상에 의해, 일반적으로 두 반사면 사이에 놓인 빛은 두 반사면의 간격에 따라 전기장의 세기가 오르내리며 빛의 파장에 따라 그 주기가 달라진다.

WOLED 소자의 경우 반사율이 높은 음극에서 발광층까지의 거리에 따라 광 효율이 가장 민감하게 반응하고, 음극과 양극 사이의 거리에 해당하는 소자 전체 두께에 영향을 받는다. 하지만 삼파장의 빛을 동시에 만족하는 소자 구조를 설계하는 것은 매우 어려우므로 특정 파장이 손실되는 것은 피할 수 없다. 따라서 손실되는 광효율을 향상시키기 위한 기술이 필수적이다.

OLED 소자의 내부 양자 효율이 100%라고 해도 소자를 구성하는 각 층의 굴절률 차이에 의한 전반사로 밖에 나오는 빛은 20∼25% 정도이다. 그중 내부 전반사에 의한 손실은 ITO와 유리 기판 사이, 유리 기판과 공기 사이에서 주로 발생한다. 광 효율을 향상시키려면 광 추출 기술이 반드시 필요하다.

광 추출 기술은 ITO와 유리 기판 사이에 광 추출 구조를 넣는 내부 광 추출층과, 유리 기판 겉면에 형성하는 외부 광 추출층의 두 가지이다. 내부 광 추출층은 나노입자를 이용한 산란층을 끼워넣는 것이 일반적이고, 외부 광 추츨층은 마이크로 렌즈 어레이 등의 확산 필름을 사용한다. 그밖에 고굴절 유리기판을 이용하여 내부전반사를 줄이기도 한다.

현재 내부와 외부 광 추출 구조를 동시에 사용할 경우, 광 효율을 약 2배 이상 올릴 수 있다고 알려져 있다. 또한, 광 추출층에 의해 확산된 빛은 탠덤 구조의 가장 큰 문제점 중 하나인 시야각에 따른 스펙트럼 변화를 크게 줄여준다.

그림 6. 2층 탠덤 구조와 3층 탠덤 구조의 소자 특성 비교

현재 조명용 하이브리드 탠덤 소자의 구조는 초기 2층 구조에서 3층 구조로 바뀌는 추세이다(그림 6). 이것은 LG화학의 초기 조명 패널 구동 전압이 6.0V에서 8.5V로 늘어나게 된 원인이며, OLED를 한 층 더 쌓으면 구동전압이 그만큼 상승하지만, 이를 상쇄할 더 큰 장점이 생긴다. 적색과 녹색을 분리하여 개별적으로 제어하면 최적화된 발광층 구조를 적용할 수 있다.

하이브리드 소자의 경우, 평균 양자 효율은 상승하고 평균 구동 전압은 낮아지며 적색과 녹색의 스펙트럼 비율이 높아져 상관 색 온도 3000K 이하의 백색광을 구현하기에 용이해진다. 또한, 더 낮은 전류에서 동일한 밝기를 낼 수 있어 소자 수명을 더 향상시킬 수 있다. 그밖에 전압에 따른 전류 상승폭이 줄어 대면적 패널의 휘도 균일도가 개선된다는 장점도 있다.

디스플레이용 WOLED 소자 기술

디스플레이의 WOLED 소자 백색좌표는 (0.33, 0.33) 근처의 색으로, 상관 색 온도 6500K 이상인 청색의 비율이 높은 스펙트럼이 필요하다. 이는 디스플레이가 쿨 화이트(Cool White)의 특성을 이용하기 때문이다. 초기 디스플레이용 WOLED 소자 구조는 주로 보색 관계인 청색과 적녹을 포함한 황색의 두 가지 OLED 소자를 연결한 2층 탠덤 구조를 사용했다.

형광 청색과 인광 적녹 재료를 사용하면 삼파장 WOLED를 제작할 수 있다. 그러나 이 경우, 적색의 도펀트를 극미량 사용해야 전압에 따른 색 이동 특성을 방지할 수 있다. 이러한 구조는 양산 시 극미량의 도펀트를 정밀하게 조정해야 하는 문제가 있을 수 있고, 에너지가 가장 낮은 적색 도펀트로 엑시톤이 쏠리는 현상도 발생할 수 있으므로 효율을 높이기 어려워 현재는 사용하지 않고 있다.

이에 대한 대안으로 발광스펙트럼이 넓은 단일 황색 재료를 사용하여 이파장 WOLED 만드는 방법이 사용되고 있다. 이 경우 효율이 높은 청색과 황색 두 개를 동시에 연결하므로 매우 높은 효율의 WOLED를 제작할 수 있다. 이때 황색은 적색, 녹색 컬러 필터를 모두 거쳐야 하므로 적녹색의 가운데 파장인 565nm 근처의 피크를 가진, 반치폭이 넓은 황색재료가 좋다. 

청색, 황색 이파장 2층 하이브리드 탠덤 구조의 양산성과 우수한 특성으로 인해 현재 LG의 55인치 OLED TV 구조에 사용되고 있다.

그림 7. LG디스플레이 2층 탠덤 구조 WOLED의 특성

그림 7은 LG디스플레이에서 발표한 형광 청색과 인광 황색 탠덤 소자의 효율 특성을 나타낸 것이다. 2010년의 특성은 적녹색 두 도펀트로 만든 황색을 이용한 삼파장 WOLED 특성이며, 2012년 특성은 단일 황색을 이용한 이파장 WOLED 특성이다.

이 하이브리드 이파장 2층 탠덤 구조는 컬러 필터를 거칠 때의 광 효율이 30% 미만이므로, 고휘도의 WOLED AMOLED를 제작하려고 한다면 3층 탠덤 구조가 더 바람직하다. 

이 경우 구조가 복잡해지기는 하지만 조명소자와 같이 적색, 녹색, 청색을 모두 구현하고 컬러 필터의 투과율도 개선할 수 있다. 다만, 조명과 같이 적색, 녹색, 청색을 각각 연결하여 사용하게 되면 형광 청색의 발광 비율이 크게 떨어지므로 좋지 않다. 그 대신에 청색 OLED를 두 층 이상 사용하여 청색의 비율을 높이는 구조를 이용하는 것이 더 적합하다고 할 수 있다. 

따라서 지금은 디스플레이에 적용하기 위한 3층 탠덤 구조가 활발히 개발되고 있다.

추가로, 디스플레이용 WOLED 소자에서는 조명과 마찬가지로 시야각에 따른 색 특성 이동이 없어야 한다. 조명의 경우, 내외부 광 추출층이 소자의 색 변화를 자동으로 맞춰주지만, 디스플레이는 마이크로 캐비티 특성 변화를 고려하여 소자의 색 특성 변화가 없도록 디자인해야 한다. 지금은 1976색 좌표 기준으로 60도 시야각까지 u′v′의 변화율
< 0.02인 특성이 요구되고 있다.

권장혁 교수, 손영훈 연구원, 강병엽 연구원 _ 경희대학교 정보디스플레이학과